Home Les premiers pas Force électrofaible Modèle standard Modèles unifiés Désunification Conclusion Liens et références

 

1.1 Le principe de Galilée et la gravitation universelle

1.2 L’électromagnétisme

1.3 L’espace-temps et sa courbure

1.4 Des tentatives d’unir la gravité et l’électromagnétisme

1.5 Les forces nucléaires

 

 

1.1 Le principe de Galilée et la gravitation universelle

 

    Le premier pas vers l’unification des forces fut une pensée, connue aujourd’hui sous le nom de « principe de Galilée », selon laquelle les lois physiques décrivant la nature se devaient d’être les mêmes en tout point de l’univers.

    La première théorie unificatrice se devait évidemment de suivre se principe, et elle fut formulée par Isaac Newton. Aux alentours de 1680, avec sa théorie de la gravitation universelle, il conclut que la gravité « terrestre » (responsable de la chute des corps au sol) et la gravité « céleste » (responsable du mouvement des planètes) étaient l’expression d’une seule et même force, décrite par la constante de gravitation G = 6,673 x 10-11 Nm2/kg2.

 

1.2 L’électromagnétisme

 

    Environ cent cinquante ans après les travaux de Newton, Faraday et Ampère accomplirent l’unification de l’électricité et du magnétisme, ce qui constitua le pas le plus important de l’ère contemporaine vers la grande unification. L’électricité était la force produite par une charge au repos, tandis que le magnétisme était celle produite par une charge en mouvement.

    En 1878, les théories de James Clerk Maxwell complétèrent celles de l’électromagnétisme et ajoutant le rayonnement à l’électricité et au magnétisme : le rayonnement était produit par l’accélération d’une charge électrique. À l’aide d’instruments assez précaires, il vérifia que la vitesse de la lumière pouvait s’exprimer en fonction des propriétés électriques et magnétiques du vide, comme le prédisait sa théorie, mais le rayonnement produit par l’accélération des charges électriques ne fut observé qu’une dizaine d’années après sa mort par Heinerich Hertz, en Allemagne.

    La technologie des XIXe et XXe siècles repose presque uniquement sur le principe de l’électromagnétique.

 

1.3 L’espace-temps et sa courbure

 

    En 1905, dans sa théorie de la relativité restreinte, Albert Einstein considère le temps comme une dimension au même titre que ses trois sœurs, les dimensions d’espace, et forge un nouveau système référentiel à quatre dimensions. Ces équations instaurent les phénomènes de dilatation du temps et de contraction de l’espace pour un corps voyageant à vitesse relativiste et (surtout) établissent une relation entre la masse et l’énergie d’un corps (E=mc2).

    Dix ans plus tard, en 1915, Einstein pousse ses travaux jusqu’à l’élaboration de la relativité générale. Sa nouvelle théorie considère les lois de la physique d’un point de vue purement géométrique et explique la gravitation comme un résultat de la courbure de l’espace-temps.

    Les conséquences de ses théories ont été depuis observées en laboratoires (notamment dans des accélérateurs de particules) aussi bien que dans la nature (par exemple, la relativité générale explique les fluctuations dans l’orbite de Mercure).

 

1.4 Des tentatives d’unir la gravité et l’électromagnétisme

 

    Ce fut le rêve de plusieurs grands physiciens que celui de l’unification de la gravitation et de l’électromagnétisme. Einstein y travailla durant trente-cinq années de sa vie, sans succès. Faraday espérait, en lâchant des poids massifs en chute libre, pouvoir observer un courrant à l’aide d’un galvanomètre, mais ce fut également en vain. Il nota cependant dans son journal : « Ici se terminent mes tentatives pour l’instant. Les résultats sont négatifs. Ils n’entament pas ma conviction qu’il existe une relation entre la gravité et l’électromagnétisme, bien qu’ils n’apportent aucune preuve de l’existence d’une telle relation. »

    Une autre tentative audacieuse fut tentée dans le même but par Kaluza, et poursuivie plus tard par Klein. Selon eux, l’électromagnétisme pouvait être compris géométriquement comme étant le résultat d’une courbure de l’espace-temps dans une cinquième dimension, celle-ci trop petite pour être observée. Bien que cette théorie ne rencontra pas de succès immédiat, elle en inspira d’autres. Il existe aujourd’hui une théorie similaire, la théorie des super-cordes, qui reprend cette idée en décrivant l’univers en dix dimensions : les quatre dimensions de l’espace-temps, plus six autres petites dimensions compactifiées. Les théories de Klauza-Klein et des super-cordes seront abordées plus en détails à la section 4.8.1.

 

1.5 Les forces nucléaires

 

    L’unification des forces nucléaires forte et faible avec les deux autres forces fondamentales, la gravité d’Einstein et l’électromagnétisme de Maxwell, est liée directement à la physique des particules. Elle sera traitée plus exhaustivement aux sections 2 et 3 du présent document.

 

 

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